专利名称：铁轨压力发电模块及系统集成技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电技术，尤其涉及一种铁轨压力发电模块及系统集成技术。
背景技术：
现在的发电技术，不外以火力发电、水力发电、原子能发电为主的技术。但火力发 电以燃油、煤为主，经长期过度开采已经日益枯竭，这种不可再生性能源越来越给世界带来 了能源危机。据称，再过20年左右，世界的石油储存量即将消耗殆尽，特别是对于石油依赖 最大的美国，越来越感到其经济的发展将随着石油的枯竭而造成灾难性的后果。新任美国 奥巴马总统一上台，就把新能源的开发和应用当作国家能源的头等大事。中国与世界其他 国家一样概莫能外。近几年新能源如太阳能发电、风能发电、潮汐发电以及水分解成为氢、氧作能源等 等，这类大自然中取之不尽、用之不竭的新能源技术如雨后春笋般不断涌现，并已经进入了 实用阶段。但以上新能源都有局限性。比如太阳能对于日照强的国家和地区效果非常有效， 对于日照不多的国家和地区就效果不大，并且受到白天、晚上、季节、气候的诸多影响；风能 受地区、季节和气候的影响就更大；潮汐发电，只有沿海地区有效，而内陆大部分地区就毫 无办法了 ！地球有70%的海洋，如果将其中的氢和氧分解，就是地球上最巨大的能源，其拥 有量将远远超过石油和煤。然而，水的分解并非容易，它的分解本身就要消耗巨大的能源， 而且氢、氧又是最容易燃烧和爆炸的气体，体积又大，储存不易。前几年，有采用分解水，用 其中的氢或氧气作为燃料的动力汽车的试验已经成功，但要使水作为世界能源是近几十年 甚至更长的时间都难以实现的。本发明将提供一种新型、实用的发电技术，它不受地区、气候、季节限制。它是利用地球的引力发电的。有引力就会有压力，它所蕴含的无穷无尽的超级能 量是石油、煤、核，乃至水无法比拟的。这就是压力发电。只要地球有引力，只要世界上有人类，只要人类在陆地上的各种代步工具还在发 展，——只要有路，就会发电！这种发电动能取之不尽、用之不竭，而且完全不消耗自然资源，完全不造成环境污
^fe o大自然本身就有这类受到压力而发电的物质，即所谓“压电材料”。压电材料已经 在电子技术领域开始得到应用，只不过其用途还仅仅局限在一个小小的范围。如果将其放 大、组合与集成，成为规模能源，使其成为国家能源，乃至世界能源，也不是不可能的。世界上已经有个别国家开始关注、试验这种引力发电。而在这中间，所有可能研制成功，并率先进入实用化、成熟化的当属本专利——铁 轨压力发电。
发明内容
本发明提供一种铁轨压力发电模块及系统集成技术，它可以运用在地上铁路和地 下铁路。它采用压电材料和串、并连技术，使其电压、电流放大——即电能的放大，然后组装 在一个有减震、限位、保护、防雨、防雷的外壳内组合成一个单体，该单体安装在两条铁轨下 面，利用列车运行所产生的压力压迫铁轨，使单体内的压电材料发电；所有单体再并、串联 汇集到中、小车站或专门电站储存电力，或供车站用电，或与更大的车站、电站联网，或经逆 变与市电联网；该压力发电模块的安装以及维修、拆卸不会影响到铁轨的承载和列车的正 常运行。本发明的技术方案是1、用多层压电材料重叠在一起，它们之间相互串联或并联相接，以提高发电电压 和电流。多层压电材料的上、下面有固定的夹板，上夹板下面有减震弹簧作为压力缓冲，保 护压电材料；下夹板用于固定在基座上；多层压电材料安装在减震弹簧和下夹板之间，线 路上有防雷保护电路、过压保护、过流保护电路，和LED发光二极管显示是否工作正常的监 控电路；多层压电材料的电力输出引线穿出外壳输送出去。2、上外壳与铁轨的下端面接触，基座固定在地基的面上，上、下外壳之间有一间 隙，由于多层压电材料上面的减震弹簧使间隙始终保持在一个相对固定的间隙尺寸，列车 的正常压力不会使间隙闭合；只有当列车压力异常或突发过压力时这一间隙才闭合，以限 制更大的压力损坏壳内的压电材料，从而保护了压电材料及其内部电气线路。上外壳包含 并盖住下面的基座，以防止雨渗入壳内。3、多层压电材料和外壳组合成一个发电单体，在两条铁轨的下面、每两根枕木之 间各分别安装一个发电单体，两个发电单体根据具体系统的设计要求并联或者串联，然后 所有枕木之间安装的发电单体的电力输出线全部并联为两根电力线，通过地下电缆送入中 小车站的电力储存室。4、和任何电气设备一样，都存在安装、维修、拆卸、更换的工作过程，为不影响列车 日常的正常运行，a)发电单体不直接安装在铁轨与下面的枕木之间，而是安装在两根枕木 的空挡之间，这样，安装、更换单体时不会变动铁轨和枕木的位置及固定连接部件，并且单 体安装在两根枕木之间相当于在轨道中间加上一个第三支点，于轨道的支撑稳定和列车的 平稳运行更为有利；b)在发电单体的基座与地基基础面之间，插入一对楔型插销，安装时 用螺栓把单体、楔形插销一起固定在基础上；拆卸时松开螺栓，取出一对楔形插销即可卸下 单体；c)或者在下外壳的下面再安装稳定缓冲弹簧，该弹簧受固定螺栓控制，可以上下调 节弹簧的受压、放开高度尺寸，当弹簧尺寸调小时，可以平移地推进、拆卸发电单体，而放松 弹簧及其尺寸时，单体即抬高与轨道啮合，拆卸、安装极为方便，而且该弹簧又进一步减缓 了轨道在列车经过时对单体的冲击，保护单体。5、防噪声装置在铁轨与单体的上外壳之间加垫一减震防噪声薄型垫片，因为铁 轨与上外壳之间总有可能存在间隙，当几十吨重的列车车厢经过时将随时会产生剧烈的打 击、发出极强的噪声，垫片将大大减缓打击、降低噪声的发生。6、电力的储存/平稳装置由于列车的载重变化极大，时常有空载、满载、超载等 多种情况，那么发电的电压起伏变化、电力的输出起伏变化可能相当大，是一种剧烈波动的 发电方式。因 除了蓄电池的不断充电外，还应该配备足够的大容量电力电容使电力波动平滑，以及过压保护装置，超级电容——法拉电容为这种大容量电力电容器提供了可行性。7、压电材料的选择在目前众多的压电材料中，由于石英晶体压电系数不高，价格 昂贵，当不在选择之列；陶瓷压电材料由于易脆性，亦不在选择之列；有机压电材料的压电 系数是石英晶体、陶瓷压电的几倍，且较柔软，价格低，应该作为选择材料之一，而且有机压 电材料品种非常丰富，发展极快，很有应用前途。随着新的压电材料的研发和产能化，铁轨 压力发电的前景将非常远大，有可能与火力发电、水力发电、核能发电并驾齐驱。8、可以预测的是，当铁轨压力发电成功应用之后，高速公路的压力发电和普通公 路的压力发电将成为下一步开发的对象。本发明的有用效果是1、铁道是最规范、最平整的工作平面，所有铁道都是按照国家标准或国际标准施 工的标准化道路，还有它的轨道宽度比高速公路、普通公路窄的多。高速公路、普通公路宽 度达几米、几十米，铺设压电发电单体面积相当宽，更为不利的是，一旦铺上后不容易拆卸。 当某一压电单体故障或损坏时，必须挖开公路的路面才能拆卸压电单体进行更换或者维 修，以1000公里的高速公路为例，平均每10天有1只压电单体损坏，即1/10000的故障率 计，则每10天高速公路要挖开路面一次，则这段高速公路经常处于施工挖路状态，然后填 平、铺设水泥、柏油，整个过程至少要几天。过不了好长时间，这一段高速公路就根本不可能 通行了！人们不可能为了公路发电而去天天修路！所以在公路上铺设压电材料发电要进 入实际应用的难度极大，若不解决公路的正常通车与日常维护、维修、更换的矛盾，就无法 使公路压力发电新能源真正实际应用，然而要解决公路的正常通车与日常维护、维修、更换 的矛盾，依照现在的技术条件和方法，至少还要几十年才有可能。由于铁道的标准化、最窄、最平整给压力发电创造了非常有利的客观条件。本发明利用铁路标准化轨道和很窄的铁轨宽度，又在极窄的两条铁轨的下面和两 根枕木的空挡之间，安装压电单体，无疑极大地节省空间，敷设面积最少，也不影响列车的 正常运行，方便地安装、维护、维修、更换压电单体。所以，在利用压力发电的各种方案中，只 有铁轨压力发电才可以最先、最快进入实用化、成熟化，才可能在相当短的时期内迅速推广 普及未来这一最前卫和最具潜力的新发电技术。本发明最成功的在于有效地解决了正常铁路运行与发电维护之间互不影响的问 题，使道路压电发电不会仅仅停留在试验上，而在于真正实现应用。其次，一列火车的重量和载重量相当于上百俩汽车的重量和载重量，火车对于铁 轨的压力远远超过汽车轮胎对于路面的压力，火车可能产生的压力发电电能将远远超过公 路的发电电能；铁轨压力发电所用的压电单体只安装在两条铁轨的下面，只占用极小的空 间面积，因此，无论从成本，还是发电效能都是公路发电无法相比的，至少在一个相当长的 时期之内是无法相比的。2、以火力发电所需要的煤或燃油都是不可再生能源，经过人类长期开采现在已经 日益枯竭。煤和石油又给环境带来破坏和污染，它们产生的二氧化碳使环球气温升高，自然 灾害频发。煤的开采常常造成煤矿塌方、瓦斯暴炸，每年因矿难所造成的死亡和财产损失无 计其数。本发明的铁轨压力发电则完全不消耗自然资源，完全不造成环境污染，更不会造成 瓦斯暴炸和人员死亡，只是在安装、维护、更换压电单体时按照安全操作规程，在工作时注 意列车交通安全就行了。水力发电需要修建大坝，它不仅修建时间长，成本高，大坝还给船舶运输造成不便。水力发电还会带来当地地质结构的变化，生态影响，泥石垃圾堆积，形成地震诱因。特别 是梯级大坝，人为地给大江大河造成“肠梗阻”和“胆结石”，对生态平衡带来极大破坏。还有 不可忽视的是要变更沿岸居民的生活、居住和生存环境，拆迁安置工作也不是容易的事情， 附加成本很高。本发明仅是利用铁轨下面的空间安装发电模块，新建设的铁路和现有铁路 推行铁轨压力发电新技术都不会占用土地资源，更不存在征地、拆迁等诸多问题，它与铁路 交通联系为一体，发电与交通共生，共赢。压电材料属于电子器件，压力发电基本是电子、电力、机械的整合，本身无任何污 染，更不会担心核安全、核泄漏、核辐射、核污染的可能性，因而压力发电与现代火力、水力、 核能三大主流发电方式相比，是一种最安全、最环保、技术成本和社会成本最低的发电方 式。全世界铁路非常发达，美国铁路网络居全球之首。近几年，我国的铁路发展非常迅 速，地铁也在各大城市纷纷建造，一个强大的铁路网正在形成，并有可能达到世界水平。如 果将全国铁路网都用上铁轨压力发电技术，其发电量将超过十多个三峡大坝！而它的成本 仅为同等发电量的水力发电几百分之一！3、每一次经济危机都会带来新技术的出现，压力发电这一新能源的出现可能正是 一个契机。而铁轨压力发电有可能率先突破压力发电这一新能源领域。压力发电还将使一 些新的产业出现，如压电材料的研制、大功率、大规模压电材料的涌现，新的生产大功率压 电材料的工厂产生和相关企业的振兴，就业需求扩大，一个新的繁荣即将兴起，在当前全球 经济危机的时刻，带来新的希望，新的曙光！它是一个具有全球战略意义的新技术革命！中国将走在前头！我们要牢牢抓住这个机遇。4、本发明不仅在于推出压力发电的新技术、新概念，还着重考虑了实施过程中所 出现的各种新问题，比如恰当地解决铁轨压力发电模块及系统的安装、维修与列车日常运 行互不干扰问题；压电材料的选择；防雷、防雨、防水，过压、过流保护，工作监控、显示，防 雷保护电路、过压保护、过流保护，压电材料发电功率的扩展、电力的储能/平稳装置，防噪 技术，并网等等，都是在工程技术中必须逐一解决的问题。唯此，才可能使这一新技术真正 得以实施，得以成为现实应用。当然，在具体研制和实施过程中，还会遇到诸多问题，都会一 个个得以突破。5、标准化。为了实现产业化，批量化，必须制定铁轨压力发电模块、设备及系统的 新标准，中国率先制定自己国内的新标准，然后作为世界该技术领域的国际新标准。
图1是铁轨压力发电模块图，其中，1——发电模块，3——压电材料，4——隔离层， 5——连线，6——引出线；图2是压电发电单体正剖面图，其中，1——发电模块，2——发电单体，7——夹板， 8——减震弹簧，9——减震防噪声垫片，，11——基座，12——铁轨，13——螺栓，14——楔 形插销，15——限位间隙，16——地基，19——压块。图3是发电单体的侧视图，其中，1——发电模块，7——夹板，8——减震弹簧，
610——上外壳，11——基座，18——保护、显示电路，5——连线。图4是发电单体与铁轨安装的正截面图，其中，1——发电模块，2——发电单体， 12——铁轨，16——地基，17——枕木；图5是发电单体与铁轨安装的俯视图，其中，2——发电单体，12——铁轨，17—— 枕木；图6是发电模块的保护、显示图，1——发电模块，20——过压、防雷保护器，21—— 隔离二极管，22——发光二极管，23——保护二极管，24——限流电阻，25——输出线， 40——地线，18——保护、显示电路。图7是铁轨压力发电系统集成示意图，其中，1——发电模块，26——电缆通道， 27——蓄电池组，28——平滑电力电容器组，29——直流配电系统，30——直-交逆变电源 系统，31——直流输电系统，32——交流输电系统，40——地线。
具体实施例方式图1中，将多层压电材料(3)重叠在一起，层与层之间均有隔离层⑷隔离，层与 层之间由连线(5)连接，并由引出线(6)引出，它们组合成为一个发电模块(1)。图2中，发电模块(1)安装在下面2块夹板(7)之间，中间一块夹板与上面的夹板 (7)之间安装有减震弹簧(8)，最下一层的夹板(7)固定在基座(11)上，最后上外壳(10) 罩住整个发电模块、弹簧和保护、显示电路，以防止雨渗入壳内，上外壳(10)罩住基座(11)，而且与基座(11)之间有一限位间隙(15)，一般列车 在正常压力下不会使间隙闭合，只有当列车压力异常或突发过压力时这一间隙才闭合，以 限制更大的压力损坏壳内的压电材料，从而保护了压电材料及其内部电气线路，整个上述组合成为一个发电单体(2)，上外壳(10)与铁轨(12)的下端面接触，它们之间有一层减震防噪声垫片(9)，基 座(11)固定在地基(16)的面上，压块(19)使发电单体(2)固定在铁轨(12)上。在基座(11)的下面采用一对楔型插销(14)，插入基座(11)与地基(16)之间，安 装时用螺栓(13)将其固定；拆卸时只要松开螺栓(13)，取出一对楔形插销(14)即可卸下 发电单体(2)。图3中，在发电单体⑵内，多只发电模块⑴并列排列在下层夹板(7)上面，它 们之间的连线(5)按照电气设计要求串联或者并联，使其达到通用电气标准电压；保护、显 示电路(18)也安装在下层的夹板上；减震弹簧(8)夹在中间夹板与上层的夹板(7)之间； 上外壳(10)罩住整个发电模块、弹簧和保护、显示电路(18)。图4中，在两根铁轨(12)的下面各安装一只发电单体(2)并固定在地基(16)之上。图5的发电单体与铁轨安装的俯视图中，发电单体(2)安装在铁轨(12)的下面， 与枕木(17)无接触。图6中，发电模块(1)的一端接地线(27)，另一端经隔离二极管(21)连接输出线 (25)，发光二极管(22)与保护二极管(23)并联，再与限流电阻(24)串联之后，与发电模块 (1)并联；输出线(25)与地线(40)之间并接有过压、防雷保护器(20)，以上整体组合成为 保护、显示电路(18)。
7
图7中，所有发电模块⑴并联，其中发电模块⑴一端接地线(40)，并联后通过 电缆通道(26)输送至车站的电气室内，接入蓄电池组(27)和平滑电力电容器组(28)，储 存、平滑的电能根据需要分成两路一路到直流配电系统(29)，再到直流输电系统(31)输 送出去；另一路到直-交逆变电源系统(30)，将直流逆变为交流送入交流输电系统(32)与 市电联网。
权利要求
一种铁轨压力发电模块及系统集成技术，其发电部分输送电力到直流配电系统(29)、直流输电系统(31)；另一路到直-交逆变电源系统(30)、交流输电系统(32)，其特征是将多层压电材料(3)重叠在一起，层与层之间均有隔离层(4)进行隔离，层与层之间由连线(5)连接，并由引出线(6)引出，它们组合成为一个发电模块(1)，发电模块(1)安装在下面2块夹板(7)之间，中间一块夹板与上面的夹板(7)之间安装有减震弹簧(8)，最下一层的夹板(7)固定在基座(11)上，最后上外壳(10)罩住整个发电模块和弹簧、减震弹簧(8)和保护、显示电路(18)，上外壳(10)罩住基座(11)，而且与基座(11)之间有一限位间隙(15)，以限制更大的压力损坏壳内的压电材料，保护压电材料及其内部电气线路，整个上述组合成为一个发电单体(2)。
2.根据权利要求1所述的铁轨压力发电模块及系统集成技术，其特征是在两条铁轨 (12)的下面各安装一只发电单体(2)且固定在地基(16)之上；发电单体(2)安装在两根 枕木(17)之间，与枕木(17)相距一定距离。
3.根据权利要求1所述的铁轨压力发电模块及系统集成技术，其特征是上外壳(10) 与铁轨(12)的下端面接触，它们之间有一层减震防噪声垫片(9)，压块(19)使发电单体 (2)固定在铁轨(12)上，基座(11)将发电单体(2)固定在地基(16)上。在基座(11)的下面采用一对楔型插销(14)，插入基座(11)与地基(16)之间，安装时 用螺栓(13)将其固定；拆卸时只要松开螺栓(13)，取出一对楔形插销(14)即可卸下发电 单体⑵。
4.根据权利要求1所述的铁轨压力发电模块及系统集成技术，其特征是发电模块(1) 的一端接地线(40)，另一端经隔离二极管(21)连接输出线(25)，发光二极管(22)与保护 二极管(23)并联，再与限流电阻(24)串联之后，与发电模块⑴并联；输出线(25)与地线 (40)之间并接有过压、防雷保护器(20)。
5.根据权利要求1所述的铁轨压力发电模块及系统集成技术，其特征是所有发电模 块(1)并联，且发电模块(1) 一端接地线(40)，并联后通过电缆通道(26)输送至车站的电 气室或者电站的蓄电池组(27)和平滑电力电容器组(28)，储存、平滑的电能根据需要分成 两路一路到直流配电系统(29)，再到直流输电系统(31)输送出去；另一路到直_交逆变 电源系统(30)，将直流逆变为交流送入交流输电系统(32)与市电联网。
全文摘要
一种铁轨压力发电模块及系统集成技术，它可以运用在地上和地下铁路；它采用压电材料及串、并连技术使电能放大，与防雷保护、过压、过流保护和显示监控电路组成模块，然后组装在一个有减震、限位、防雨的外壳内组成一个单体，该单体安装在两条铁轨下面及两根枕木之间，利用列车运行时所产生的巨大压力使压电模块发电，所有模块的电能共同汇集到各车站或者专门的电站储存使用，或与更大的车站、电站联网，或经逆变与市电联网；该模块的安装、维修和拆卸不会影响到列车的正常运行；本发明利用地球的引力作用，完全不消耗自然资源，不造成环境污染，可以形成一个新兴而庞大的产业，并将制定出国内标准及国际标准。
文档编号H02J7/00GK101826814SQ20091005846
公开日2010年9月8日 申请日期2009年3月2日 优先权日2009年3月2日
发明者陈友余 申请人:陈友余